Laser à cascade quantique

Dans le cadre de la théorie des bandes, la structure électronique d'un semi-conducteur classique (« bulk ») est constituée notamment de deux bandes d'énergies continues dans laquelle les électrons de valence se situent :

• la bande de valence, très peuplée en électrons de faible énergie ;
• la bande de conduction, relativement peu peuplée en électrons de haute énergie.

Ces deux bandes sont séparées par une bande vide où aucun électron ne peut se situer, appelée bande interdite ou « gap », dont la « taille » , c'est-à-dire l'énergie, dépend uniquement de la nature chimique du matériau semi-conducteur. Un laser à semi-conducteur utilise cette structure pour émettre des photons : un électron de la bande de conduction va se désexciter en retournant dans la bande de valence, en émettant un photon d'énergie équivalente à la perte d'énergie qu'il subit, c'est-à-dire équivalente au gap. Dans la description classique en théorie des semi-conducteurs, on parle alors de « recombinaison électron-trou », l'électron de la bande de conduction se recombinant avec un « trou » de la bande de valence, ce qui fait disparaître les deux entités pour émettre le photon. On parle dans ce cas d'émission par transition inter-bandes. Outre le fait qu'un seul électron ne peut produire qu'un seul photon, on peut remarquer que l'énergie du photon émis (et donc sa longueur d'onde λ) dépend directement du gap du matériau, ce qui oblige pour émettre un photon avec l'énergie voulue d'utiliser un matériau semi-conducteur ayant un gap d'exactement la même énergie.

Un laser à cascade quantique n'utilise pas ce genre de matériau, mais un semi-conducteur possédant une structure à confinement quantique, un puits quantique. Ce confinement quantique, ici à une dimension, est créé à l'intérieur de la structure des sous-bandes d'énergie. Un électron de haute énergie de la bande de conduction « tombe » alors dans le puits quantique, tout d'abord sur la sous-bande supérieure, puis est relaxé en tombant sur la sous-bande inférieure, en émettant alors un photon d'énergie équivalente à l'énergie entre ces deux sous-bandes. On parle alors d'émission par transition inter-sous-bande. Or, comme l'énergie entre deux sous-bandes dépend directement de la largeur du puits, donc de l'épaisseur de la couche de semi-conducteur constituant le puits, il est possible en contrôlant cette épaisseur de choisir la longueur d'onde émise, ce qui permet d'émettre un très large spectre avec le même type de matériau.

Afin de maximiser le rendement du QCL, celui-ci est en fait constitué d'une multitude de puits quantiques. Une fois l'électron relaxé sur la sous-bande de plus basse énergie, il traverse l'interstice entre deux puits quantiques par effet tunnel, et, en raison de la polarisation du composant, se retrouve sur la sous-bande supérieure, d'où il pourra à nouveau se relaxer, et produire un nouveau photon, et ainsi de suite. C'est ce principe qui donne son nom de « cascade » au laser.

Les QCLs ont trouvé de nombreuses applications dans les domaines de la spectroscopie, des télécommunications, de la défense, de la métrologie et du biomédical, principalement dans les régions du moyen infrarouge (MIR) et du terahertz (THz) du spectre électromagnétique. Grâce à leur large accordabilité et à leur émission dans les bandes où se situent de nombreuses raies d’absorption moléculaires, ils constituent des sources privilégiées pour la spectroscopie d’absorption et la détection de gaz. Les QCLs sont ainsi utilisés pour la surveillance environnementale (CO₂, CH₄, N₂O, NOₓ) et la détection de polluants industriels, mais aussi pour des applications biomédicales comme l’analyse non invasive de l’air expiré ou la caractérisation de tissus biologiques. Dans le domaine des télécommunications optiques, les QCLs permettent la mise en œuvre de liaisons optiques libres (Free Space Optics, FSO) dans les fenêtres atmosphériques du moyen infrarouge (3–5 µm et 8–12 µm), moins sensibles à la diffusion Rayleigh et au bruit solaire. Ces dispositifs sont également étudiés pour la cryptographie, la génération de chaos et les communications sécurisées à haut débit . Les QCLs sont employés pour l’imagerie infrarouge active et la détection d’explosifs par spectroscopie hyperspectrale, ainsi que pour les contre-mesures infrarouges (IRCM) destinées à brouiller les capteurs de missiles à guidage infrarouge. En métrologie, ils constituent des sources cohérentes dans les peignes de fréquences optiques du moyen infrarouge, permettant des mesures spectrales de haute précision et l’étude de transitions moléculaires fondamentales. Enfin, dans le domaine du terahertz, les QCL sont utilisés pour l’imagerie de sécurité, la caractérisation de matériaux et le diagnostic de plasmas.

• [Razeghi et al. 2017] (en) Manijeh Razeghi, Wenjia Zhou, Steven Slivken, Quan-Yong Lu, Donghai Wu et Ryan McClintock, « Recent progress of quantum cascade laser research from 3 to 12 μm at the Center for Quantum Devices [Invited] », Applied Optics, vol. 56, n^o 31,‎ 1^er novembre 2017, H30-H44 (ISSN 1559-128X, e-ISSN 2155-3165, PMID 29091664, DOI 10.1364/AO.56.000H30 , S2CID 24428159, lire en ligne).

• Notices d'autorité :

  • GND

• Portail de la physique
• Portail des micro et nanotechnologies
• Portail des sciences quantiques